基于FPGA的手持式示波器設計

摘要：在此設計的低成本手持式示波器是以ADC128S022模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片為數(shù)據(jù)采集前端；使用FPGA片內(nèi)雙口內(nèi)建RAM進行數(shù)據(jù)存儲、有限狀態(tài)機實現(xiàn)示波器的觸發(fā)控制和顯示驅(qū)動；最后再用LCD12864液晶模塊完成終端的低成本圖形顯示。在DE0-Nano FPGA(Altera Cyclone IV)開發(fā)板上的測試結(jié)果表明，所設計的手持式示波器可以實現(xiàn)模擬信號任意電平上升沿或下降沿的觸發(fā)測量；垂直靈敏度和掃描速度調(diào)節(jié)、波形參數(shù)的直接讀出等功能。
關鍵詞：FPGA；示波器；液晶顯示屏；有限狀態(tài)機

0 引言
目前，數(shù)字存儲示波器以其體積小、攜帶方便、準確率高的獨特優(yōu)勢逐步取代了傳統(tǒng)的模擬示波器，并向著更為小巧的低成本、便攜式應用方向發(fā)展。近幾年來，許多研究者充分利用FPGA片上的資源豐富、使用靈活、開發(fā)成本低的優(yōu)點提出了一些數(shù)字示波器的虛擬儀器解決方案和嵌入式解決方案，這些設計采用FPGA片內(nèi)資源來實現(xiàn)數(shù)字示波器的數(shù)據(jù)存儲(RAM)、觸發(fā)控制、數(shù)字信號運算與處理、顯示終端驅(qū)動等功能，這在很大程度上能夠降低示波器成本和復雜度，但是這些設計方案往往會使用到微處理器(8051／ARM／NoisⅡ)作為系統(tǒng)調(diào)度和數(shù)據(jù)處理的核心或采用VGA顯示器作為圖形輸出終端，還不能達到低成本的手持便攜使用要求。
LCD12864液晶顯示模塊具有低壓、微功耗、壽命長、超薄等顯著優(yōu)點，比較適合低成本、便攜式電子信息產(chǎn)品來實現(xiàn)字符和圖形的顯示。因此，文中就以LCD12864液晶模塊作為數(shù)字示波器的低成本圖形顯示終端；基于FPGA應用技術(shù)，設計出了具有模擬信號任意電平、上升沿或下降沿觸發(fā)；垂直靈敏度和掃描速度調(diào)節(jié)、波形參數(shù)的直接讀出特點的低成本手持式數(shù)字示波器。

1 手持式示波器的系統(tǒng)設計
基于FPGA的手持式示波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)主要包括片外AD芯片、配置芯片EPCS16、以及片內(nèi)PLL模塊、采樣時鐘配置模塊、按鍵掃描模塊、觸發(fā)控制模塊、雙口RAM存儲模塊、采樣數(shù)據(jù)圖形化與轉(zhuǎn)置模塊、LCD12864顯示驅(qū)動模塊等。示波器的工作過程大致如下：經(jīng)過片外ADC128S022采集的12 b數(shù)字信號，再經(jīng)過片內(nèi)圖形化模塊后轉(zhuǎn)換成1列LCD屏顯示的點陣數(shù)據(jù)；為了適應液晶屏按行讀出的工作方式，需要通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)置模塊把按列采樣的點陣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)置成按行排列的數(shù)據(jù)；觸發(fā)模塊主要是要根據(jù)用戶設置(鍵盤輸入)的觸發(fā)電平及模式來控制RAM的寫數(shù)據(jù)開始或停止指令，同時生成對應的寫數(shù)據(jù)地址；數(shù)控采樣時鐘模塊可以產(chǎn)生多種不同的采樣時鐘以滿足不同頻率信號的測量顯示；LCD驅(qū)動模塊主要是依據(jù)LCD的工作時序產(chǎn)生RAM的讀數(shù)據(jù)地址和LCD模式控制指令。

圖1所示手持式示波器的設計關鍵在于根據(jù)LCD12864顯示模塊的工作時序來組織雙口RAM的讀／寫、片外A／D的數(shù)據(jù)采集；這樣才能保證測量的模擬信號波形顯示正確。下文就對片外A／D模塊、雙口RAM的讀寫控制和LCD顯示驅(qū)動3個關鍵模塊做出比較具體的設計描述。